串联式开关电源输出【电压】滤波电路 (串联开关的作用)

大多数开关电源输出都是直流【电压】，因此，一般开关电源的输出电路都带有整流滤波电路。图1-2是带有整流滤波功能的串联式开关电源工作原理图。

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图1-2是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton*大【电流】通过，防止输入【电压】Ui直接加到负载R上，对负载R进行【电压】冲击，同时对流过电感的【电流】iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关K关断期间Toff把磁能转化成【电流】iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分【电流】转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成【电流】继续向负载R提供能量输出；D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff，给储能滤波电感L释放能量提供【电流】通路。在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的【电流】iL由反电动势eL的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。对于图1-2，如果不看控制开关K和输入【电压】Ui，它是一个典型的反г型滤波电路，它的作用是把脉动直流【电压】通过平滑滤波输出其平均值。图1-3、图1-4、图1-5分别是控制开关K的占空比D等于0.5、0.5时，图1-2电路中几个关键点的【电压】和【电流】波形。图1-3-a)、图1-4-a)、图1-5-a)分别为控制开关K输出【电压】uo的波形；图1-3-b)、图1-4-b)、图1-5-b)分别为储能滤波电容两端【电压】uc的波形；图1-3-c)、图1-4-c)、图1-5-c)分别为流过储能电感L【电流】iL的波形。

在Ton期间，控制开关K接通，输入【电压】Ui通过控制开关K输出【电压】uo，然后加到储能滤波电感L和储能滤波电容C组成的滤波电路上，在此期间储能滤波电感L两端的【电压】eL为：eL=Ldi/dt=Ui–Uo——K接通期间(1-4)式中：Ui输入【电压】，Uo为直流输出【电压】，即：电容两端的【电压】uc的平均值。在此顺便说明：由于电容两端的【电压】变化量ΔU相对于输出【电压】Uo来说非常小，为了简单，我们这里把Uo当成常量来处理。在某种情况下，如需要对电容的初次充、放电过程进行分析时，必须需要建立微分方程，并求解。因为输出【电压】Uo的建立需要一定的时间，精确计算得出的结果中一般都含有指数函数项，当令时间变量等于无穷大时，即电路进入稳态时，再对相关参量取平均值，其结果就基本与(1-4)相等。对(1-4)式进行积分得：

式中i(0)为控制开关K转换瞬间(t=0时刻)，即：控制开关K刚接通瞬间流过电感L的【电流】，或称流过电感L的初始【电流】。当控制开关K由接通期间Ton突然转换到关断期间Toff的瞬间，流过电感L的【电流】iL达到最大值：iLm=(Ui-Uo)Ton/L+i(0)——K关断前瞬间(1-6)在Toff期间，控制开关K关断，储能电感L把磁能转化成【电流】iL，通过整流二极管D继续向负载R提供能量，在此期间储能滤波电感L两端的【电压】eL为：eL=Ldi/dt=–Uo——K关断期间(1-7)式中–Uo前的负号，表示K关断期间电感产生电动势的方向与K接通期间电感产生电动势的方向正好相反。对(1-7)式进行积分得：

式中i(Ton+)为控制开关K从Ton转换到Toff的瞬间之前流过电感的【电流】，i(Ton+)也可以写为i(Toff-)，即：控制开关K关断或接通瞬间，之前和之后流过电感L的【电流】相等。实际上(1-8)式中的i(Ton+)就是(1-6)式中的iLm，即：

上面计算都是假设输出【电压】Uo基本不变的情况得到的结果，在实际应用电路中也正好是这样，输出【电压】Uo的【电压】纹波非常小，只有输出【电压】的百分之几，工程计算中完全可以忽略不计。从(1-4)式到(1-)和图1-3、图1-4、图1-5中可以看出：当开关电源工作于临界连续【电流】或连续【电流】状态时，在K接通和关断的整个周期内，储能电感L都有【电流】流出，但在K接通期间与K关断期间，流过储能电感L的【电流】的上升率(绝对值)一般是不一样的。在K接通期间，流过储能电感L的【电流】上升率为Ui-Uo/L：；在K关断期间，流过储能电感L的【电流】上升率为：-Uo/L因此：(1)当Ui=2Uo时，即滤波输出【电压】Uo等于电源输入【电压】Ui的一半时，或控制开关K的占空比D为二分之一时，流过储能电感L的【电流】上升率，在K接通期间与K关断期间绝对值完全相等，即电感存储能量的速度与释放能量的速度完全相等。此时，(1-5)式中i(0)和(1-)式中iLX均等于0。在这种情况下，流过储能电感L的【电流】iL为临界连续【电流】，且滤波输出【电压】Uo等于滤波输入【电压】uo的平均值Ua。参看图1-3。(2)当Ui>2Uo时，即：滤波输出【电压】Uo小于电源输入【电压】Ui的一半时，或控制开关K的占空比小于二分之一时：虽然在K接通期间，流过储能电感L的【电流】上升率(绝对值)，大于，在K关断期间，流过储能电感L的【电流】上升率(绝对值)；但由于(1-5)式中i(0)等于0，以及Ton小于Toff，此时，(1-)式中的iLX会出现负值，即输出【电压】反过来要对电感充电，但由于整流二极管D的存在，这是不可能的，这表示流过储能电感L的【电流】提前过0，即有断流。在这种情况下，流过储能电感L的【电流】iL不是连续【电流】，开关电源工作于【电流】不连续状态，因此，输出【电压】Uo的纹波比较大，且滤波输出【电压】Uo小于滤波输入【电压】uo的平均值Ua。参看图1-4。（3）当Ui<2Uo时，即：滤波输出【电压】Uo大于电源输入【电压】Ui的一半时，或控制开关K的占空比大于二分之一时：在K接通期间，虽然流过储能电感L的【电流】上升率（绝对值），小于，在K关断期间，流过储能电感L的【电流】上升率（绝对值）。但由于Ton大于Toff，（1-5）式中i（0）和（1-）式中iLX均大于0，即：电感存储能量每次均释放不完。在这种情况下，流过储能电感L的【电流】iL是连续【电流】，开关电源工作于连续【电流】状态，输出【电压】Uo的纹波比较小，且滤波输出【电压】Uo大于滤波输入【电压】uo的平均值Ua。参看图1-5。